Pour magnétiser un clou en fer, il suffit de caresser plusieurs fois sa surface avec un barreau aimanté. Il existe cependant une méthode beaucoup plus inhabituelle :une équipe dirigée par le Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) a découvert il y a quelque temps qu'un certain alliage de fer pouvait être magnétisé avec des impulsions laser ultracourtes.
Les chercheurs se sont désormais associés au Laserinstitut Hochschule Mittweida (LHM) pour approfondir ce processus. Ils ont découvert que le phénomène se produit également avec une classe différente de matériaux, ce qui élargit considérablement les perspectives d'application potentielles. Le groupe de travail présente ses conclusions dans la revue Advanced Functional Materials .
La découverte inattendue a été faite en 2018. Lorsque l'équipe HZDR a irradié une fine couche d'un alliage fer-aluminium avec des impulsions laser ultracourtes, le matériau non magnétique est soudainement devenu magnétique.
L'explication :Les impulsions laser réorganisent les atomes dans le cristal de telle manière que les atomes de fer se rapprochent, formant ainsi un aimant. Les chercheurs ont ensuite pu démagnétiser à nouveau la couche avec une série d’impulsions laser plus faibles. Cela leur a permis de découvrir un moyen de créer et d'effacer de minuscules « points magnétiques » sur une surface.
Cependant, l’expérience pilote a laissé certaines questions sans réponse. "Il n'était pas clair si l'effet se produisait uniquement dans l'alliage fer-aluminium ou également dans d'autres matériaux", explique le physicien du HZDR, le Dr Rantej Bali. "Nous voulions également essayer de suivre la progression temporelle du processus." Pour approfondir ses recherches, il s'est associé au Dr Theo Pflug du LHM et à des collègues de l'Université de Saragosse en Espagne.
Les experts se sont concentrés spécifiquement sur un alliage fer-vanadium. Contrairement à l’alliage fer-aluminium avec son réseau cristallin régulier, les atomes de l’alliage fer-vanadium sont disposés de manière plus chaotique, formant une structure amorphe semblable à du verre. Afin d'observer ce qui se passe lors de l'irradiation laser, les physiciens ont utilisé une méthode spéciale :la méthode pompe-sonde.
"Nous irradions d'abord l'alliage avec une forte impulsion laser, qui magnétise le matériau", explique Theo Pflug. "Simultanément, nous utilisons une seconde impulsion, plus faible, qui se reflète sur la surface du matériau."
L'analyse de l'impulsion laser réfléchie donne une indication sur les propriétés physiques du matériau. Ce processus est répété plusieurs fois, l'intervalle de temps entre la première impulsion de « pompe » et l'impulsion de « sonde » suivante étant continuellement prolongé.
En conséquence, une série temporelle de données de réflexion est obtenue, ce qui permet de caractériser les processus déclenchés par l'excitation laser. "L'ensemble de la procédure est similaire à la création d'un flip book", explique Pflug. "De même, une série d'images individuelles qui s'animent lorsqu'elles sont vues en succession rapide."
Le résultat :bien qu’il ait une structure atomique différente de celle du composé fer-aluminium, l’alliage fer-vanadium peut également être magnétisé au laser. "Dans les deux cas, le matériau fond brièvement au point d'irradiation", explique Rantej Bali. "Cela amène le laser à effacer la structure précédente afin qu'une petite zone magnétique soit générée dans les deux alliages."
Un résultat encourageant :apparemment, le phénomène ne se limite pas à une structure matérielle spécifique mais peut être observé dans divers arrangements atomiques.
L'équipe suit également la dynamique temporelle du processus :« Au moins, nous savons désormais à quelle échelle de temps quelque chose se produit », explique Theo Pflug. "En quelques femtosecondes, l'impulsion laser excite les électrons du matériau. Plusieurs picosecondes plus tard, les électrons excités transfèrent leur énergie aux noyaux atomiques."
Par conséquent, ce transfert d’énergie provoque le réarrangement en une structure magnétique, qui est stabilisée par le refroidissement rapide ultérieur. Dans des expériences de suivi, les chercheurs visent à observer exactement comment les atomes se réorganisent en examinant le processus de magnétisation avec des rayons X intenses.
Bien qu'ils n'en soient qu'à leurs débuts, ces travaux fournissent déjà de premières idées d'applications possibles :par exemple, il est envisageable de placer de minuscules aimants sur la surface d'une puce via un laser. "Cela pourrait être utile pour la production de capteurs magnétiques sensibles, comme ceux utilisés dans les véhicules", spécule Rantej Bali. "Il pourrait également trouver des applications possibles dans le stockage de données magnétiques."
De plus, le phénomène semble pertinent pour un nouveau type d’électronique, à savoir la spintronique. Ici, les signaux magnétiques devraient être utilisés pour les processus informatiques numériques au lieu des électrons passant à travers des transistors comme d'habitude, offrant ainsi une approche possible de la technologie informatique du futur.
Plus d'informations : Theo Pflug et al, Réorganisation positionnelle et chimique du réseau induite par laser générant du ferromagnétisme, Matériaux fonctionnels avancés (2023). DOI : 10.1002/adfm.202311951
Informations sur le journal : Matériaux fonctionnels avancés
Fourni par l'Association Helmholtz des centres de recherche allemands
